Bài học

Sự hình thành liên kết cộng hoá trị: đơn, đôi, ba

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được liên kết cộng hoá trị hình thành từ cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử phi kim, và phân biệt được liên kết đơn, đôi, ba dựa vào số cặp electron góp chung.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai bài trước đã giải quyết trường hợp một nguyên tử nhường hẳn electron cho nguyên tử khác — đó là con đường của kim loại điển hình gặp phi kim điển hình. Nhưng khí hydrogen $H_2$ , khí chlorine $Cl_2$ hoàn toàn được tạo từ MỘT loại nguyên tử phi kim, không có kim loại nào để nhường electron cho ai. Vậy hai nguyên tử phi kim giống hệt nhau làm sao đạt octet?

Hai bài trước đã giải quyết trường hợp một nguyên tử nhường hẳn electron cho nguyên tử khác — đó là con đường của kim loại điển hình gặp phi kim điển hình. Nhưng khí hydrogen $H_2$, khí chlorine $Cl_2$ hoàn toàn được tạo từ MỘT loại nguyên tử phi kim, không có kim loại nào để nhường electron cho ai. Vậy hai nguyên tử phi kim giống hệt nhau làm sao đạt octet?

Khởi động

Khí hydrogen $H_2$ và khí chlorine $Cl_2$ đều được tạo từ hai nguyên tử cùng loại. Không có nguyên tử kim loại nào trong hai phân tử này để đóng vai người nhường electron. Vậy từng nguyên tử H và từng nguyên tử Cl trong hai phân tử đó đạt được cấu hình bền của khí hiếm bằng cách nào?

Kiến thức trọng tâm

Liên kết cộng hoá trị là liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron dùng chung. Khác với liên kết ion (electron chuyển hẳn từ nguyên tử này sang nguyên tử kia), ở liên kết cộng hoá trị cặp electron góp chung thuộc về CẢ HAI nguyên tử, giúp cả hai cùng đạt octet (hoặc 2 electron với hydrogen) mà không ai phải nhường hẳn electron cho ai. Loại liên kết này phổ biến giữa hai nguyên tử phi kim, kể cả hai nguyên tử của cùng một nguyên tố.

**Liên kết cộng hoá trị** là liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron dùng chung. Khác với liên kết ion (electron chuyển hẳn từ nguyên tử này sang nguyên tử kia), ở liên kết cộng hoá trị cặp electron góp chung thuộc về CẢ HAI nguyên tử, giúp cả hai cùng đạt octet (hoặc 2 electron với hydrogen) mà không ai phải nhường hẳn electron cho ai. Loại liên kết này phổ biến giữa hai nguyên tử phi kim, kể cả hai nguyên tử của cùng một nguyên tố.

Xét phân tử $H_2$ : mỗi nguyên tử H chỉ có 1 electron, cần thêm 1 electron nữa để đạt cấu hình bền 2 electron giống He. Hai nguyên tử H góp chung mỗi bên 1 electron, tạo thành MỘT cặp electron dùng chung — cặp electron này vừa thuộc về nguyên tử H thứ nhất, vừa thuộc về nguyên tử H thứ hai, nên cả hai đều "nhìn thấy" đủ 2 electron. Đây là liên kết đơn, ký hiệu $H{-}H$ , ứng với một cặp electron góp chung.

Xét phân tử $H_2$: mỗi nguyên tử H chỉ có 1 electron, cần thêm 1 electron nữa để đạt cấu hình bền 2 electron giống He. Hai nguyên tử H góp chung mỗi bên 1 electron, tạo thành MỘT cặp electron dùng chung — cặp electron này vừa thuộc về nguyên tử H thứ nhất, vừa thuộc về nguyên tử H thứ hai, nên cả hai đều "nhìn thấy" đủ 2 electron. Đây là **liên kết đơn**, ký hiệu $H{-}H$, ứng với một cặp electron góp chung.

Xét phân tử oxygen $O_2$ : mỗi nguyên tử O có 6 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 2 electron để đạt octet. Hai nguyên tử O góp chung HAI cặp electron (mỗi bên góp 2 electron), tạo thành liên kết đôi, ký hiệu $O{=}O$ . Xét phân tử nitrogen $N_2$ : mỗi nguyên tử N có 5 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 3 electron. Hai nguyên tử N góp chung BA cặp electron, tạo thành liên kết ba, ký hiệu $N{\equiv}N$ .

Xét phân tử oxygen $O_2$: mỗi nguyên tử O có 6 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 2 electron để đạt octet. Hai nguyên tử O góp chung HAI cặp electron (mỗi bên góp 2 electron), tạo thành **liên kết đôi**, ký hiệu $O{=}O$. Xét phân tử nitrogen $N_2$: mỗi nguyên tử N có 5 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 3 electron. Hai nguyên tử N góp chung BA cặp electron, tạo thành **liên kết ba**, ký hiệu $N{\equiv}N$.

Số cặp electron góp chung càng nhiều thì liên kết càng bền và càng ngắn: liên kết ba bền và ngắn hơn liên kết đôi, liên kết đôi lại bền và ngắn hơn liên kết đơn. Đó là lý do khí $N_2$ — với liên kết ba rất bền — gần như trơ về mặt hoá học ở điều kiện thường, chiếm tới 78% thể tích khí quyển mà không phản ứng với hầu hết chất xung quanh ta.

Muốn "phá" được liên kết ba bền vững của $N_2$ để cây trồng hấp thụ được nitrogen, tự nhiên phải nhờ tia sét (cung cấp năng lượng rất lớn) hoặc vi khuẩn cố định đạm trong rễ cây họ đậu; trong công nghiệp, người ta dùng nhiệt độ và áp suất rất cao (quy trình Haber) để tổng hợp phân đạm từ $N_2$ và $H_2$ . Ngược lại, liên kết đơn như trong $Cl_2$ hay $H_2$ dễ bị phá vỡ hơn nhiều, nên các phân tử này phản ứng dễ dàng hơn ở điều kiện thường — đây là một minh hoạ rõ cho việc số cặp electron góp chung quyết định trực tiếp mức độ hoạt động hoá học của một chất.

Muốn "phá" được liên kết ba bền vững của $N_2$ để cây trồng hấp thụ được nitrogen, tự nhiên phải nhờ tia sét (cung cấp năng lượng rất lớn) hoặc vi khuẩn cố định đạm trong rễ cây họ đậu; trong công nghiệp, người ta dùng nhiệt độ và áp suất rất cao (quy trình Haber) để tổng hợp phân đạm từ $N_2$ và $H_2$. Ngược lại, liên kết đơn như trong $Cl_2$ hay $H_2$ dễ bị phá vỡ hơn nhiều, nên các phân tử này phản ứng dễ dàng hơn ở điều kiện thường — đây là một minh hoạ rõ cho việc số cặp electron góp chung quyết định trực tiếp mức độ hoạt động hoá học của một chất.

Năng lượng liên kết tăng dần từ liên kết đơn đến liên kết ba, giải thích vì sao khí

N_2

với liên kết ba rất khó bị phá vỡ ở điều kiện thường.Năng lượng liên kết tăng dần từ liên kết đơn đến liên kết ba, giải thích vì sao khí $N_2$ với liên kết ba rất khó bị phá vỡ ở điều kiện thường.

Ví dụ

Xác định số cặp electron dùng chung trong phân tử

Cl_2

Xác định số cặp electron dùng chung trong phân tử $Cl_2$

1
Giải thích sự hình thành liên kết trong phân tử chlorine $Cl_2$ và cho biết đây là liên kết đơn, đôi hay ba.
Giải thích sự hình thành liên kết trong phân tử chlorine $Cl_2$ và cho biết đây là liên kết đơn, đôi hay ba.
2
Mỗi nguyên tử Cl có 7 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 1 electron để đạt octet (8 electron).
3
Hai nguyên tử Cl mỗi bên góp 1 electron, tạo thành 1 cặp electron dùng chung, thuộc về cả hai nguyên tử.
4
Đây là liên kết đơn, ký hiệu $Cl{-}Cl$ , vì chỉ có một cặp electron góp chung — cả hai nguyên tử Cl sau đó đều có 8 electron bao quanh (7 electron riêng cộng với 1 electron từ cặp dùng chung).
Đây là liên kết đơn, ký hiệu $Cl{-}Cl$, vì chỉ có một cặp electron góp chung — cả hai nguyên tử Cl sau đó đều có 8 electron bao quanh (7 electron riêng cộng với 1 electron từ cặp dùng chung).

Ví dụ

Giải thích vì sao khí

N_2

rất bền và trơ về hoá học (dạng thi)Giải thích vì sao khí $N_2$ rất bền và trơ về hoá học (dạng thi)

1
Khí $N_2$ chiếm phần lớn thể tích khí quyển Trái Đất nhưng hầu như không phản ứng với các chất xung quanh ở điều kiện thường, dù nitrogen là nguyên tố cần thiết cho sự sống (có trong protein, DNA...). Hãy dùng kiến thức về liên kết cộng hoá trị để giải thích vì sao $N_2$ lại trơ như vậy.
Khí $N_2$ chiếm phần lớn thể tích khí quyển Trái Đất nhưng hầu như không phản ứng với các chất xung quanh ở điều kiện thường, dù nitrogen là nguyên tố cần thiết cho sự sống (có trong protein, DNA...). Hãy dùng kiến thức về liên kết cộng hoá trị để giải thích vì sao $N_2$ lại trơ như vậy.
2
Mỗi nguyên tử N có 5 electron lớp ngoài cùng, còn thiếu 3 electron để đạt octet.
3
Hai nguyên tử N góp chung 3 cặp electron (mỗi bên góp 3 electron) để cả hai cùng đạt octet, tạo thành liên kết ba $N{\equiv}N$ .
Hai nguyên tử N góp chung 3 cặp electron (mỗi bên góp 3 electron) để cả hai cùng đạt octet, tạo thành liên kết ba $N{\equiv}N$.
4
Liên kết ba có năng lượng liên kết rất lớn (khoảng 945 kJ/mol, lớn hơn nhiều so với liên kết đơn hay liên kết đôi thông thường), nghĩa là cần một năng lượng rất lớn mới phá vỡ được liên kết này.
5
Chính liên kết ba bền vững giữa hai nguyên tử N là nguyên nhân khiến phân tử $N_2$ khó bị phá vỡ, nên khí nitrogen trơ về mặt hoá học ở điều kiện thường — dù nguyên tố nitrogen lại rất cần thiết cho sinh vật khi đã được "cố định" thành hợp chất khác.
Chính liên kết ba bền vững giữa hai nguyên tử N là nguyên nhân khiến phân tử $N_2$ khó bị phá vỡ, nên khí nitrogen trơ về mặt hoá học ở điều kiện thường — dù nguyên tố nitrogen lại rất cần thiết cho sinh vật khi đã được "cố định" thành hợp chất khác.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nhầm phân tử gồm hai nguyên tử phi kim giống nhau (như $Cl_2$ , $O_2$ , $N_2$ ) là liên kết ion, vì quen với việc "nhường - nhận" ở bài trước. Cần nhớ: liên kết ion chỉ hình thành rõ giữa kim loại điển hình và phi kim điển hình; hai nguyên tử phi kim (kể cả khác loại như H và Cl trong HCl) luôn góp chung electron, tạo liên kết cộng hoá trị.

Học sinh dễ nhầm phân tử gồm hai nguyên tử phi kim giống nhau (như $Cl_2$, $O_2$, $N_2$) là liên kết ion, vì quen với việc "nhường - nhận" ở bài trước. Cần nhớ: liên kết ion chỉ hình thành rõ giữa kim loại điển hình và phi kim điển hình; hai nguyên tử phi kim (kể cả khác loại như H và Cl trong HCl) luôn góp chung electron, tạo liên kết cộng hoá trị.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Liên kết cộng hoá trị = cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử phi kim. Liên kết đơn: 1 cặp electron dùng chung. Liên kết đôi: 2 cặp. Liên kết ba: 3 cặp. Số cặp càng nhiều, liên kết càng bền và càng ngắn.

Bài tiếp theo sẽ học cách vẽ đầy đủ một phân tử bằng công thức Lewis — không chỉ thể hiện cặp electron liên kết mà cả những cặp electron riêng không tham gia liên kết, để nhìn rõ toàn bộ electron hoá trị trong phân tử.